金属工艺学第四章

第四章

钢的热处理本章(běnzhānɡ)重难点热处理的基本原理整体热处理的工艺(gōngyì)特点1共九十七页

第一节热处理基本原理本节重点：共析钢加热和冷却(lěngquè)时的组织转变本节难点：共析钢C曲线(qūxiàn)的理解2共九十七页钢在加热(jiārè)时的转变第一节热处理基本原理钢在冷却(lěngquè)时的转变

热处理概述3共九十七页一、热处理概述(ɡàishù)钢的热处理的定义热处理工艺曲线(qūxiàn)

热处理的分类4共九十七页钢－－固态－－加热、保温、冷却－－改善(gǎishàn)组织、性能的工艺方法。

性能变化组织、结构变化决定改变钢的热处理1定义(dìngyì)：

在机械制造中应用广泛：机床：60－70％的零件；汽车、拖拉机：70－80％的零件；滚动轴承、工具、模具：100％的零件5共九十七页热处理简介(jiǎnjiè)：6共九十七页2钢的热处理工艺(gōngyì)曲线示意图：7共九十七页3钢的热处理分类(fēnlèi)：

整体热处理：退火、正火、淬火、回火(huíhuǒ).表面热处理：表面淬火、化学热处理1）按照它在加工中的作用分：预先热处理、最终热处理2）按工艺方法不同分：8共九十七页A的形成(xíngchéng)二、钢在加热(jiārè)时的转变A的长大9共九十七页理论依据－－铁碳合金(héjīn)相图。1、A的形成(xíngchéng)Fe-Fe3C相图各临界点的移动位置：10共九十七页共析钢奥氏体的形成

重点(zhòngdiǎn)内容（2）奥氏体晶核长大(chánɡdà)（1）奥氏体晶核形成

（3）残余Fe3C的溶解（4）奥氏体成分均匀化11共九十七页共析钢奥氏体的形成(xíngchéng)示意12共九十七页亚共析钢：大于Ac1→

F+A→Ac3以上(yǐshàng)

A晶粒过共析钢：大于Ac1→

Fe3C+A→Accm以上

亚（或过）共析钢的A化：13共九十七页2.奥氏体晶粒的长大(chánɡdà)（粗化）加热(jiārè)温度↑,保温时间↑，奥氏体晶粒↑。

A晶界上未熔碳化物↑，奥氏体晶粒↓。

合金元素（除Mn、P外）↑

，奥氏体晶粒↓。14共九十七页15共九十七页

冷却方式(fāngshì)

过冷A的等温转变

过冷A的连续转变

三、钢在冷却(lěngquè)时的转变16共九十七页等温冷却：快冷到A1以下－－保温（发生组织(zǔzhī)转变）－－然后再冷却下来。1、冷却(lěngquè)方式：连续冷却:在连续冷却过程中发生组织转变。

水冷、油冷、炉冷、空冷。17共九十七页

C曲线的建立影响过冷A等温转变的因素(yīnsù)

过冷A等温转变产物组织和性能

2、过冷A的等温转变(zhuǎnbiàn)曲线（C曲线）：18共九十七页准备试样；将试样A化，并在不同(bùtónɡ)温度下恒温测定；把组织转变开始与终止时间在时间、温度的坐标系上分别连起来。1)C曲线(qūxiàn)的建立(以共析钢为例)：a)建立C曲线19共九十七页两曲线：左C线：左边(zuǒbian)是过冷A；右C线：右边是转变产物区；左右之间：过冷A与产物共存区b）C曲线(qūxiàn)特征两直线：上水平线A1：A存在稳定区；下水平线Ms：M转变开始线。20共九十七页2）影响过冷A等温转变(zhuǎnbiàn)的因素A成分的影响：含碳量：共析钢的C曲线最靠右；合金(héjīn)元素：一般除Co和Al外，C曲线右移。A化条件的影响：加热温度↑：C曲线右移；保温时间↑：C曲线右移；21共九十七页3）过冷A等温转变(zhuǎnbiàn)产物（以共析钢为例）

珠光体型转变(zhuǎnbiàn)

贝氏体型转变马氏体型转变重点内容22共九十七页分三类：

温度组织(zǔzhī)性能727℃—650℃P（片层粗大）强度硬度650℃—600℃S（片层较细）

600℃—550℃T（片层极细）

提高珠光体类型(lèixíng)转变（高温转变产物）：温度：727℃—550℃之间；

特点：是扩散型转变。

产物：P型组织23共九十七页(a)珠光体

(b)索氏体(c)托氏体24共九十七页分两类：温度组织性能

550—350℃B上强度低，

（F粗+Fe3C）

塑、韧性较差

350—230℃B下综合(zōnghé)力学性能好

（F针片+细微的碳化物）

贝氏体类型(lèixíng)转变（中温转变产物）：温度：在550℃--230℃之间；

特点：贝氏体转变属半扩散型转变。产物：贝氏体组织。25共九十七页

M：C在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体型转变（低温(dīwēn)转变产物）：温度：Ms以下(yǐxià)；

产物：M

特点：非扩散型转变原因：过饱和碳原子引起的晶格畸变即固溶强化。

M硬度取决于ωc:ωc↑,HRc↑M特点：高强度、高硬度。26共九十七页M形态(xíngtài)（图4-8）:

板条状马氏体：ω(c)<0.2%（低碳马氏体）。

片状马氏体：ω(c)

>1.0%（高碳马氏体）。在0.2%<ω(c)<1.0%时，形成(xíngchéng)二者的混合组织。27共九十七页钢在冷却(lěngquè)时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为：

高温转变产物－珠光体、索氏体、托氏体，中温转变产物－上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物－马氏体

随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。小结28共九十七页CCT曲线(qūxiàn)

3、过冷A的连续冷却(lěngquè)转变曲线（共析钢）CCT曲线与C曲线比较29共九十七页1）CCT曲线(qūxiàn)（共析钢）直线(zhíxiàn)－A1，Ms，K，Mf曲线－Ps，Pf

没有贝氏体转变区。曲线特征：30共九十七页冷速≥临界(línjiè)冷速（vk），得到M

vk′＜冷速＜vk时，得到M＋P冷速≤vk′时，得到P转变(zhuǎnbiàn)产物：连续冷却时：

不是所有的合金都没有贝氏体转变。

过共析钢的无贝氏体转变区；

亚共析钢可以产生贝氏体组织；

合金钢有时有贝氏体，有时无。31共九十七页2)CCT曲线(qūxiàn)与C曲线(qūxiàn)的比较(共析钢)：CCT曲线位于C曲线的右下方，转变的孕育期长。连续冷却(lěngquè)转变产物往往不是单一均匀组织，等温转变的产物是单一的均匀组织。32共九十七页

A+产物区碳钢w(C)0.77％TTT曲线(qūxiàn)的分析稳定(wěndìng)的奥氏体区过冷奥氏体区A转变开始线A转变终止线产物区A1～550℃;高温转变区;P转变区。550～230℃;中温转变区B转变区;230℃以下;低温转变区;

M转变区；时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf33共九十七页转变产物(chǎnwù)的组织与性能珠光体型(P)转变(zhuǎnbiàn)(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P，索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。600～550℃:极细片状P，托氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。34共九十七页贝氏体型(B)转变(zhuǎnbiàn)(550～230℃):550～350℃:

B上;40～45HRC;350～230℃:

B下;50～60HRC;韧性(rènxìnɡ)较差.综合力学性能好.35共九十七页马氏体型(M)转变(zhuǎnbiàn)(230℃以下):马氏体是一种(yīzhǒnɡ)碳在α–Fe中的过饱和固溶体。板条状---低碳马氏体(＜0.2%C);30～50HRC;δ=9～17%。片状---高碳马氏体(＞1%C);66HRC左右;δ≈1%。36共九十七页

第二节钢的整体(zhěngtǐ)热处理本节重点(zhòngdiǎn)：淬火＋回火工艺本节难点：不同工艺对钢组织和性能的影响37共九十七页第二节主要(zhǔyào)内容退火(tuìhuǒ)

正火

淬火

回火38共九十七页

概念(gàiniàn)：加热、保温，缓慢冷却（随炉冷却）－－达到或接近平衡状态组织。

一、钢的退火(tuìhuǒ)退火39共九十七页钢的退火(tuìhuǒ)40共九十七页1、完全(wánquán)退火工艺(gōngyì)：

Ac3+（30~50)℃，保温，炉冷至500℃下，空冷。组织：P+F目的：

①细化晶粒，均匀组织。②降低硬度→切削性↑。③消除内应力。应用范围：亚共析成分的碳钢或合金钢的铸件、锻件和热轧型材。41共九十七页45钢的完全(wánquán)退火42共九十七页2、等温退火工艺：Ac3＋(30-50)℃保温(bǎowēn)，快冷至珠光体转变区，等温转变成P，空冷。目的：①与完全(wánquán)退火相同②显著缩短生产周期43共九十七页3、球化退火(tuìhuǒ)工艺：Ac1+(20~30)℃，保温后，快冷Ar1以下20℃等温一定时间（球化渗碳体），随炉冷至600℃下，出炉(chūlú)空冷－－等温球化退火组织：球状P（F+球状）目的：①硬度↓，→切削性↑②为淬火作准备。应用范围：过共析或共析成分的碳钢和合金钢44共九十七页T10钢球化退火(tuìhuǒ)45共九十七页4、扩散(kuòsàn)（或均匀化）退火工艺(gōngyì)：

Ac3或Accm＋（150~300）℃保温（10-20h）,缓冷至室温。目的：消除铸件、铸锭的枝晶偏析等化学成分不均匀等现象。应用范围：铸件、铸锭。注：因可能导致晶粒长大，均匀化退火后，一般要完全退火细化晶粒，消除过热组织。46共九十七页47共九十七页5、去应力(yìnglì)退火工艺：Ac1以下某一温度(wēndù)（500~650）℃保温，缓冷至室温。目的：消除残余内应力，稳定工件尺寸。应用范围：铸件、锻件、焊接件。说明：属低温退火，过程中无组织变化。48共九十七页49共九十七页6、再结晶退火(tuìhuǒ)工艺(gōngyì)：T再＋（150－250）℃保温，缓冷。目的：消除加工硬化，提高塑性。应用范围：经过冷变形加工的钢件。50共九十七页51共九十七页二、钢的正火

工艺：

Ac3或Accm＋（30－50）℃，保温(bǎowēn)，出炉。是退火的特例。组织(zǔzhī)：S52共九十七页正火53共九十七页目的：与钢的种类(zhǒnglèi)有关，1）低碳钢：调整硬度，改善切削加工性。2）高碳钢：消除网状Fe3CⅡ，为球化退火作准备。3）对性能要求不高的零件，可作最终热处理。应用(yìngyòng)范围：碳素钢、低中合金钢。54共九十七页三、钢的淬火(cuìhuǒ)淬火温度(wēndù)淬火介质淬火方法55共九十七页钢的淬火(cuìhuǒ)56共九十七页钢轨(gāngguǐ)的淬火57共九十七页锻模(duànmó)的淬火58共九十七页1、淬火(cuìhuǒ)温度工艺(gōngyì)：Ac3或Ac1＋（30-50）℃，保温，冷速＞Vk

－－M59共九十七页淬火(cuìhuǒ)：一般，过共析钢淬火(cuìhuǒ)前需要正火或球化退火，消除网状渗碳体，否则降低韧性，增大开裂倾向。目的：提高钢的硬度和耐磨性，与回火配合，获得所需要的力学性能。60共九十七页2、淬火(cuìhuǒ)介质：水：冷却(lěngquè)速度大－－用于碳钢件。油：冷却能力较小－－用于合金钢。

盐水：较大的碳钢件。

61共九十七页3、淬火(cuìhuǒ)方法淬火(cuìhuǒ)方法示意图62共九十七页1）单液淬火：

特点：

操作简便－－自动化

注：单独水冷：易开裂变形；单独油冷：产生硬度不足(bùzú)

和不均匀。63共九十七页

特点：应力(yìnglì)小，避免开裂和变形。只适用于形状复杂，尺寸小的零件2）双液淬火(cuìhuǒ)：特点：既可淬硬又可避免开裂和变形，但难以掌握。3）分级淬火：高于Ms的盐浴槽停留2－5分钟，再空冷。水冷却到（300－200）℃，再油冷。64共九十七页4）等温淬火（不同于普通(pǔtōng)意义的淬火）盐浴槽中保温(bǎowēn)，得B下，空冷。特点：B下硬度较高，韧性较好，变形小。适于形状复杂、尺寸精度要求高的件。65共九十七页

特点：提高硬度和耐磨性，稳定尺寸，设备成本高。适用于精密零件和工具(gōngjù)的处理。5）冷处理：

淬火件冷却(lěngquè)到Mf点以下，冷处理。66共九十七页四、钢的回火(huíhuǒ)工艺：已淬火钢－－加热到Ac1以下某温度－－保温－－冷却（一般(yībān)空冷)至室温。目的：消除淬火的内应力，稳定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。67共九十七页钢的回火(huíhuǒ)68共九十七页回火种类(zhǒnglèi)：重点内容低温(dīwēn)回火

中温回火

高温回火69共九十七页1）低温(dīwēn)回火：MM回用途：用于制作量具(liángjù)、刀具和滚动轴承等，如锯条（ω(c)＝1.0%）锉刀（ω(c)＝1.2%）(150--250)℃，保温后空冷.目的：减少内应力和脆性，提高塑韧性，有较高的硬度和耐磨性。70共九十七页2）中温回火(huíhuǒ)：T回用途：用于弹簧、锻模(duànmó)的处理等。(350—500)℃,保温后空冷.M分解目的：内应力降低，具有较高的弹性极限和屈服强度，中等硬度。71共九十七页弹簧(tánhuáng)的中温回火：72共九十七页3）高温(gāowēn)回火：目的：消除内应力，有良好的综合(zōnghé)力学性能。用途：用于齿轮、曲轴等受力复杂件的热处理。淬火＋高温回火－－调质处理。S回(500—650)℃,保温后空冷.M分解73共九十七页高温(gāowēn)回火：74共九十七页75共九十七页第三节

钢的表面(biǎomiàn)热处理了解(liǎojiě)钢的表面热处理工艺76共九十七页第三节主要(zhǔyào)内容表面淬火

表面(biǎomiàn)化学热处理77共九十七页工艺(gōngyì)：一、表面淬火立即(lìjí)冷却用途：既受冲击，又要求耐磨的零件，如曲轴轴颈、齿轮齿面、机床导轨等。表面－－淬火温度心部－－室温表面－－马氏体心部－－不变目的：保持心部高韧性，表层的高硬度、耐磨性、高疲劳强度。78共九十七页工件(gōngjiàn)1.感应(gǎnyìng)加热表面淬火：根据交流电频率：

高频淬火(100kHz):＜2.5mm中小型件

中频淬火(0.5-10kHz)：2-10mm大中型件

低频淬火(50Hz)：10-20mm大型零件表面淬火表面：(800-1000)℃心部：室温喷水79共九十七页80共九十七页特点(tèdiǎn)：加热速度快，高硬、韧性较高。硬度比普通淬火(cuìhuǒ)高2--3HRC氧化脱碳小，工件变形小。淬硬层深度易控制。淬火后必须进行低温回火。适于中碳钢和中碳合金钢。形状简单件的大批量生产。81共九十七页2.火焰(huǒyàn)加热表面淬火

用氧－炔（煤气）焰加热工件表面;特点：

设备简单，使用方便，可进行局部(júbù)淬火，但淬硬层深度不易控制，生产率低。82共九十七页83共九十七页二、表面(biǎomiàn)化学热处理工艺：零件＋活性介质－－加热、保温－－零件表层成分、组织(zǔzhī)和性能。

渗碳渗氮碳氮共渗分类84共九十七页1、渗碳(shèntàn)工艺活性碳原子----零件(línɡjiàn)表层。渗碳件→→淬火＋低温回火

根据渗碳介质的不同，分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳（使用较少）三种。85共九十七页零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱钢的气体(qìtǐ)渗碳生产率高劳动条件(tiáojiàn)好渗碳层质量较好生产率低劳动条件差质量不易控制钢的固体渗碳86共九十七页气体渗碳(shèntàn)工艺87共九十七页渗碳(shèntàn)工艺88共九十七页2、渗氮：即氮化，氨气----渗入(shènrù)氮原子。渗氮后不进行热处理;

89共九十七页3、碳氮共渗：碳、氮原子－－钢件表层(biǎocéng)，又称为氰化。高温下－－渗碳为主。低温下－－渗氮为主。

90共九十七页第四节热处理

新技术简介(jiǎnjiè)（了解）激光(jīguāng)热处理电子束热处理真空热处理复合热处理91共九十七页1、激光淬火：激光－－工件表面